CN114729908A

CN114729908A - 等温量热仪

Info

Publication number: CN114729908A
Application number: CN202080080498.0A
Authority: CN
Inventors: D·J·拉塞尔; D·塞雷尔
Original assignee: TA Instruments Waters LLC
Current assignee: TA Instruments Waters LLC
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-07-08
Also published as: US11841279B2; WO2021101710A1; US20210156750A1; EP4062159A1

Abstract

描述了一种量热仪，该量热仪包括热柱、样本容器、参考容器、隔热罩、扩散结合块和热板。一个或多个热通量传感器设置在热柱与样本容器之间以及热柱与参考容器之间。隔热罩与热柱热连通，并与样本容器、参考容器和热柱分离且基本上包封该样本容器、该参考容器和该热柱。扩散结合块包括具有第一热导率的第一金属层、具有第二热导率的第二金属层和具有第三热导率的第三金属层。第二热导率不同于第一热导率和第三热导率。第一金属层与热柱的基部热连通，并且第三金属层与热板热连通。

Description

等温量热仪

相关申请

本申请要求2019年11月21日提交的并且名称为“Isothermal Calorimeter”的美国临时专利申请序列号62/938,382的较早提交日期的权益，该美国临时专利申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本技术整体涉及量热仪。更具体地，本技术涉及具有减少的平衡时间而不牺牲测量灵敏度的量热仪。该量热仪可用于电池的热测试。

背景技术

量热仪是可用于通过测量样本与其周围环境之间的热流来测量样本的能量变化的仪器。本发明的实施方案整体涉及可用于表征产生或吸收热能的事件的量热仪。例如，此类事件可以与用于为无线蜂窝电话和其他便携式设备供电的电池和类似部件相关联。

例如，用于测试电池的等温量热仪可置于具有循环油浴的恒温器中以实现均匀且精确的温度环境。通常，量热仪的内部部件与量热仪外壳和外壳外部的热环境热隔离，因此量热仪达到平衡可能需要相当长的时间。例如，在将待测试的样本装入量热计之后，可能需要几个小时或更长的时间，才能开始热测量。此外，可用于电池测试的常规量热仪受到存在于量热仪内的热噪声的影响，这会损害热测量结果。

发明内容

在一个示例中，量热仪包括热柱、样本容器、参考容器、隔热罩、扩散结合块和热板。热柱具有第一侧、第二侧和基部。至少一个热通量传感器在热柱与样本容器之间设置在第一侧上，并且至少一个热通量传感器在热柱与参考容器之间设置在第二侧上。样本容器被构造成接纳待测试的样本。隔热罩与热柱热连通，并与样本容器、参考容器和热柱分离且基本上包封该样本容器、该参考容器和该热柱。扩散结合块包括具有第一热导率的第一金属层、具有第二热导率的第二金属层和具有第三热导率的第三金属层。第二金属层位于第一金属层与第三金属层之间。第二热导率不同于第一热导率和第三热导率。第一金属层与热柱的基部热连通。热板与扩散结合块的第三金属层热连通。

量热仪可以包括基本上围绕隔热罩的绝热壳体。

扩散结合块可以包括多于三个金属层。第一金属层、第二金属层和第三金属层中的至少一个可以是铜层。第一金属层、第二金属层和第三金属层中的至少一个可以是铜层或不锈钢层。

在第一侧和第二侧中的每一侧上的至少一个热通量传感器可以是珀尔帖模块。

热柱可以是铝块。热板可以是铝板。隔热罩可以由铜形成。

量热仪还可以包括至少一个校准加热器，该校准加热器设置在样本容器和参考容器中的每一者的一侧中。样本容器和参考容器中的每一者可以包括多个突片，其中量热仪还包括多个弹簧，每个弹簧在一端联接到样本容器的突片中的一个突片，在相对的一端联接到参考容器的突片中的一个突片。

在另一示例中，用于电池的量热测量的装置包括热柱、样本容器、参考容器、扩散结合块和热板。热柱具有第一侧、第二侧和基部。至少一个热通量传感器在热柱与样本容器之间设置在第一侧上，并且至少一个热通量传感器在热柱与参考容器之间设置在所述第二侧上。样本容器被构造成接纳待测试的电池。扩散结合块包括具有第一热导率的第一金属层、具有第二热导率的第二金属层和具有第三热导率的第三金属层。第二金属层位于第一金属层与第三金属层之间。第二热导率不同于第一热导率和第三热导率。第一金属层与热柱的基部热连通。热板与扩散结合块的第三金属层热连通。

装置可以包括与热柱热连通的隔热罩，其中隔热罩与样本容器、参考容器和热柱分离并且基本上包封该样本容器、该参考容器和热柱。装置还可以包括基本上围绕隔热罩的绝热壳体。

在第一侧和第二侧中的每一侧上的至少一个热通量传感器可以是至少一个珀尔帖模块。

扩散结合块可以包括多于三个金属层。

量热仪还可以包括至少一个校准加热器，该校准加热器设置在样本容器和参考容器中的每一者的一侧中。样本容器和参考容器可以各自包括多个突片，并且量热仪可以包括多个弹簧，每个弹簧在一端联接到样本容器的突片中的一个突片，在相对的一端联接到参考容器的突片中的一个突片。

附图说明

参考以下附图和描述可以更好地理解实施方案。附图中的部件不必按比例绘制，而是将重点放在说明实施方案的原理上。在附图中，相同的附图标记在不同的视图中表示对应的部件。

图1A和图1B分别是量热仪的侧视图和顶视图的示意图。

图2是图1A和图1B所示的扩散结合块的示例的图示。

图3A是等温量热仪的示例的透视图，而图3B示出了等温量热仪，其外壳的一部分被移除以便能够观察内部结构。

图4示出了图3A和图3B的量热仪的透视图，其绝热件和隔热罩的一部分被移除以便能够观察热柱和其他内部特征。

图5是量热仪在样本容器与参考容器之间的中间平面处的剖面图。

图6是量热仪的透视图，其外壳和绝热件的四个侧面中的两个侧面被移除。

图7是量热仪的剖面顶视图。

图8是量热仪的另一剖面顶视图。

具体实施方式

诸如用于无线电话和便携式电子设备的电池需要测试以确定各种电池特性。例如，等温量热仪可用于确定电池的放电特性和能量效率。量热仪也可用于电池生产工厂中的质量控制和质量保证。此外，量热仪可以被配置和用于表征产生或吸收热能的其他部件和设备的事件。

下面描述的量热仪的示例具有至少一个金属板或块，该金属板或块不是由单一金属机加工而成，而是具有扩散结合在一起的多个金属层，以产生具有独特性质的金属块，该独特性质是在横向上跨过金属块的热导率比穿过金属块的热导率高。该多个金属层可以例如具有与传导性较低的金属(诸如不锈钢、铬镍铁合金(Inconel)、青铜或钛)层交替的高传导性金属(诸如铜、银、金或铝)层。另外，量热仪的示例包括热耦合到热柱的隔热罩，热柱也通过热通量传感器热耦合到样本容器和参考容器。

扩散结合块的示例可以具有第一铜层、第二不锈钢层、第三铜层、第四不锈钢层和第五铜层。其他示例可以包括铜、不锈钢和铜的三个层；铜、不锈钢、铜、不锈钢、铜、钢和铜的七个层；或铜、不锈钢、铜、不锈钢、铜、不锈钢、铜、钢和铜的九个层。另外其他示例可以例如具有银、不锈钢、银、不锈钢和银的连续层；或铜、不锈钢、银、不锈钢和铜的连续层。其他示例包括铝或金层而不是铜层，或包括铬镍铁合金、青铜或钛层而不是不锈钢层。

相对于水平方向(平行于层表面)的热流，竖直方向(垂直于层表面)的热流被抑制。因此，在扩散结合块的一端处的层中存在的任何空间噪声或空间热梯度从在块的相对端处的层大幅减小或被消除。被抑制的通过层的热流抑制由外部源产生的热噪声到达量热仪中产生的热信号并与热信号混合。出现这种情况的部分原因是，由量热仪外部的源产生的热噪声可能具有比被检测的量热仪信号高的频率。扩散结合块可用作低通滤波器，从而抑制来自较高频率源的热流动，并因此降低热通量传感器处的热信号中的噪声。

图1A和图1B分别是用于测试大型样本诸如电子设备和用于此类设备的电源的量热仪10的侧视图和顶视图的高度示意性描绘。可以被测试的物品的示例包括电池，诸如在无线电话和个人手持设备中使用的电池。量热仪10包括导热板14，在该导热板的顶部安装有扩散结合块18。热板14可以由实心铝或其他高导热金属形成。热柱22在扩散结合块18的与接触热板14的一侧相对的一侧从其基部竖直延伸。热柱22具有矩形横截面并且包括实心铝块，但在其他示例中，柱22可以由不同的金属制成并且横截面可以不同。样本容器26抵靠设置在热柱22的一侧上的一个或多个热通量传感器(例如，珀尔帖模块)34保持。类似地，参考容器30抵靠设置在柱22的相对的一侧上的一个或多个热通量传感器34保持。样本容器26被构造成接纳和保持待测试的电池。测量由样本侧的热通量传感器34产生的信号与由参考侧上的热通量传感器34产生的信号之间的差，并将其用于确定由样本引起的热流。信号的这种差异基本上防止容器26和30共有的热噪声损害热测量结果。

隔热罩38基本上包封热柱22、热通量传感器34和容器26、30。在该示例中的基本上包封意味着至少这些内部部件的面向外侧被隔热罩38包围，其间具有小的间隙42。隔热罩38优选地由高热导率金属诸如铜形成。隔热罩38固定到热柱22并与该热柱热连通，而不与任何其他结构接触。

图2是图1A和图1B所示的扩散结合块18的示例的图示。扩散结合块18在横向上跨过块的热导率比穿过块的层的热导率高。因此，块18的一个外层上的横向空间温度变化不会导致块18的相对的外层上的任何显著的横向空间温度变化。

在所示示例中，扩散结合块18具有五个金属层：第一铜层48、第一不锈钢层50、第二铜层52、第二不锈钢层54和第三铜层56。不锈钢层50和54可以是例如大约0.025英寸至0.050英寸厚，而铜层48、52和56可以是例如大约0.050英寸至0.080英寸厚，但是也可以使用其他厚度。在其他实施方式中，层的数量和/或层的材料可以不同。全文以引用方式并入本文的美国专利公布号2017/0227480A1公开了各种扩散结合块，这些扩散结合块可适于根据本文所述的量热仪的不同实施方式使用。

参考图3A，示出了根据本文所述原理的等温量热仪100的更详细示例的透视图。量热仪100包括外壳或筒104，该外壳或筒限定室以接纳具有待评估的电池或其他部件的样本容器。在一种实施方式中，外壳104由不锈钢形成。还参考图3B，未示出外壳104的一部分，以便能够观察量热仪100的内部结构。

在测量期间，室部分地由样本容器108和参考容器112(不可见，在相对的一侧上)占据，样本容器和参考容器中的每一者通过顶部处的环116联接，该环接合用于将样本容器108和参考容器112降低到室中且向上拉动样本容器108和参考容器112以从室移除的钩118。钩118机械地联接到用于降低和升高容器108、112的升降机构。一旦容器108、112下降到测量位置使得其与底部处的支撑柱152接触，钩118在向下方向上的额外的小运动导致钩118从环116脱离。因此，钩118与环116之间存在间隔，这避免了否则可能会降低测量精度的热路径。如图所示，样本容器108包括凸起的内壁114，诸如AA电池的单体圆柱形电池可以插入其中用于测试。在将电池插入之后，使用两个螺钉122附接盖板120。在其他示例中，样本容器可以被不同地构造成接纳具有不同形状和体积的其他类型的电池或电源设备，只要电池配合在样本容器的外部壳体内。例如，样本容器可以被构造成接纳适于为无线电话提供电力的电池。

样本容器108优选地由实心金属块诸如铝块制成。在样本容器108由实心金属块制成的情况下，在电池与样本容器108之间以及在样本容器108与热柱(不可见)侧面上的热通量传感器之间实现良好的热导率。例如，可以对金属块进行机加工以移除大部分金属材料，而留下适应电池安装的特征。在另选的方法中，样本容器可以使用栓接或以其他方式彼此固定的单独的薄金属板来制造；然而，所得的样本容器可能表现出与内部结构的实质性更差的热耦合。优选地，样本容器108和参考容器112具有低质量，以避免由于增加的热容量而增加大的热时间常数。

量热仪100包括柄部124，该柄部可用于将量热仪100降低到恒温器(未示出)中以及将量热仪100从恒温器中取出。顶板128安装到恒温器的上板。当完全插入时，包含在恒温器内的温控油浴的顶表面刚好位于量热仪100的顶板128的下方，并且油与量热仪外壳104的外表面接触。

在传统的量热仪中，安装有样本室和参考室的结构悬挂在量热仪的外壳内。由于与油浴的热耦合是间接的，使得油浴中的热瞬态噪声被有效地低通滤波，所以改善了热信噪比；然而，保持样本室和参考室的结构的时间常数增加。在所示示例中以及在根据本文所述原理的量热仪的其他示例中，由铝(或其他金属)形成的热板132直接搁置在不锈钢外壳104的底板134上以实现高热导率耦合。因此，与传统的量热仪不同，样本容器108和参考容器112所联接的结构与油浴更好地热耦合。因此，在将样本插入并完成测量准备之后，量热仪100通常更快地平衡。类似地，如果恒温器改变到不同的操作温度，则量热仪100在新的操作温度下达到平衡的时间显著减少。

热隔离由绝热壳体136提供，该绝热壳体完全围绕内部结构周围的四个侧面，即，基本上包封容器108、112、热通量传感器和热柱。在一个示例中，绝热件是

P600聚异氰脲酸酯泡沫，可从印第安纳州印第安纳波利斯(Indianapolis,In.)的Elliot公司获得。绝热件136基本上消除了到内部结构的任何横向热路径。隔热罩140热耦合到量热仪100的热柱(下面描述)，并设置在绝热件136的壁内。在隔热罩140与绝热件136之间存在小的间隙，在隔热罩140与样本容器108和参考容器112之间存在较大的间隙。优选地，隔热罩140由铜或其他高热导率金属的薄层形成。隔热罩140确保围绕样本容器108和参考容器112的热环境与设置在容器之间的热柱(不可见)的热环境基本相同。有利地，隔热罩140防止如果仅将绝热件用于热隔离而可能发生的问题。更具体地讲，绝热件136具有长的热时间常数，使得如果没有居间的隔热罩，则在样本容器108内产生的并进入绝热件的热可随后泄漏回到样本容器108中，从而导致热测量基线的漂移。

现在参考图4和图5。图4示出了量热仪100的透视图，其绝热件136和隔热罩140的一部分被移除以允许观察热柱144和其他内部特征。图5是量热仪100(外壳104被移除)在样本容器108与参考容器112之间的中间平面处的剖面图。

热柱144可以由铝、铜或其他金属形成。珀尔帖模块形式的热通量传感器148设置在柱144的两侧上。柱144的一侧包括六个珀尔帖模块148A，其以三行两列布置方式布置，以测量块144与样本容器108之间的热流。柱144的另一侧包括六个类似布置的珀尔帖模块148B，其用于测量柱144与参考容器112之间的热流。珀尔帖模块148可以电连接，使得基于由一侧上的所有六个模块产生的信号的单个测量用于确定流向或流出对应的容器108或112的柱144的热流。校准加热器146设置在每个容器108、112的靠近每个珀尔帖模块148的一侧中，以使得能够执行模块的校准过程。另选地，具有与待测试的电池相似的形状因数的校准加热器可以被插入样本容器108或参考容器112中以执行珀尔帖模块148的校准。

用于传导由珀尔帖模块148产生的电信号的电导体穿过顶部进入和离开量热仪100，并热耦合到热柱144。这防止了样本容器108中产生的热流过电导体。例如，来自每个珀尔帖模块148的线材可以经由导热粘合剂(例如，

带)固定到柱144。相反，连到校准加热器的线材不散热到柱144，而是热耦合到样本容器108或参考容器112，以允许由校准加热器产生的热从容器流到热柱144。

在量热仪100内产生的热的热路径从样本容器108和参考容器112通过相应的珀尔帖模块148、热柱144、扩散结合块150、热板132并通过底板134提供到油浴。低热导率材料(例如，聚醚醚酮(PEEK))的块154附接到热柱144的顶部以防止与容器108、112上方的结构建立显著的热路径。

扩散结合块150包括不同热导率的材料的交替层，如上所述。例如，块150的外部(顶部和底部)层可以是具有不锈钢和铜的交替内层的铜。有利地，由于热板132中的热梯度导致的热能向扩散结合块150的底层的任何不对称施加不会导致热向热柱144的不对称施加，因为块150的顶层上的热梯度几乎被消除了。此外，通过热板132耦合的任何热噪声基本上被来自(或去往)样本容器108和参考容器112的热流的差异测量所抵消。因此，基本上没有热噪声被添加到测量中。

扩散结合块150为热柱144提供支撑。两个支撑柱152从热板132向上延伸。一个柱152A接合样本容器108的底部，而另一个柱152B接合参考容器112的底部。支撑柱152优选地由低热导率材料(例如PEEK)制成。每个柱152的顶部部分可以是圆形的，以最小化与每个容器108、112的底部的表面接触，从而进一步限制热路径。支撑柱152支撑容器108、112的重量并防止容器向下移动，例如，当装载有用于测试的样本时。

图6是示出量热仪100的透视图，其外壳和绝热件136的四个侧面中的两个侧面被移除。不锈钢板158覆盖顶部以防止空气路径通过到达容器108、112的顶部。铝分流器156设置在板158中的每个开口的上方。分流器156是导热的，以连接到板158中，从而为量热仪100提供等温顶层，并防止空气从上方流向容器108、112。每个分流器156的轴164由PEEK制成。

图7是量热仪100的剖面顶视图。三个螺钉160用于将低热导率块154固定到热柱144。低热导率块154通过柱/管162机械地联接到上部结构。因此，只有一次穿过热板132和扩散结合块150到达热柱144的直接高热导率路径。构造其他结构特征以将替代热路径限制到不明显的热导率。

沿着热柱144的一侧以竖直间隔布置有三个低热导率块166(例如，PEEK块)，并且在热柱144的相对侧上布置有另外三个PEEK块166。这六个块166被固定到热柱144，并用于防止样本容器108和参考容器112的侧向运动(图中的竖直运动)。此外，容器108、112中的每一个容器包括突片170，弹簧172的一端联接到该突片。因此，两个容器108、112通过由弹簧172施加的压缩力朝向彼此拉动。由于有多个突片170和相应的弹簧172沿热柱144竖直布置，因此样本容器108和参考容器112经受多个压缩力，这些压缩力将它们拉向其对应的珀尔帖模块148。弹簧力和由侧面PEEK块166提供的运动限制的组合防止容器108、112的倾斜和侧向运动，并确保与珀尔帖模块148的良好热接触。

图8是示出隔热罩140如何牢固地固定到热柱144的另一剖面顶视图(由于PEEK块154的遮挡而不能直接看到)。隔热罩140包括从主罩表面向内延伸的部分。这些向内的延伸部包括开口以供用于固定罩140的螺栓穿过，并在向内延伸部与热柱144之间提供良好的热接触。在每个容器108、112与隔热罩140之间存在间隙。间隙的尺寸在图的顶部和底部更大以避免弹簧172。因此，隔热罩140仅与热柱144接触。在另选的构造中，隔热罩140可以热耦合到热板132并由该热板支撑；然而，这种结构绕过了扩散结合块150，并在测量过程中产生更大的热噪声。

虽然已经示出和描述了各种示例，但是该描述旨在是示例性的，而不是限制性的，并且本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所述的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims

1.一种量热仪，包括：

热柱，所述热柱具有第一侧、第二侧和基部；

样本容器，所述样本容器被构造成接纳待测试的样本；

参考容器；

至少一个热通量传感器，所述至少一个热通量传感器在所述热柱与所述样本容器之间设置在所述第一侧上；

至少一个热通量传感器，所述至少一个热通量传感器在所述热柱与所述参考容器之间设置在所述第二侧上；

隔热罩，所述隔热罩与所述热柱热连通，所述隔热罩与所述样本容器、所述参考容器和所述热柱分离且基本上包封所述样本容器、所述参考容器和所述热柱；

扩散结合块，所述扩散结合块包括具有第一热导率的第一金属层、具有第二热导率的第二金属层和具有第三热导率的第三金属层，其中所述第二金属层位于所述第一金属层与所述第三金属层之间，所述第二热导率不同于所述第一热导率和所述第三热导率，并且所述第一金属层与所述热柱的所述基部热连通；以及

热板，所述热板与所述扩散结合块的所述第三金属层热连通。

2.根据权利要求1所述的量热仪，还包括基本上围绕所述隔热罩的绝热壳体。

3.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层中的至少一个是铜层。

4.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层中的至少一个是不锈钢层。

5.根据权利要求1所述的量热仪，其中在所述第一侧和所述第二侧中的每一侧上的所述至少一个热通量传感器包括至少一个珀尔帖模块。

6.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述扩散结合块包括多于三个金属层。

7.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述热柱包括铝块。

8.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述热板包括铝板。

9.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述隔热罩由铜形成。

10.根据权利要求1所述的量热仪，还包括至少一个校准加热器，所述校准加热器设置在所述样本容器和所述参考容器中的每一者的一侧中。

11.根据权利要求1所述的量热仪，其中所述样本容器和所述参考容器中的每一者包括多个突片，所述量热仪还包括多个弹簧，每个弹簧在一端联接到所述样本容器的所述突片中的一个突片，在相对的一端联接到所述参考容器的所述突片中的一个突片。

12.一种用于电池的量热测量的电池热测量装置，包括：

热柱，所述热柱具有第一侧、第二侧和基部；

样本容器，所述样本容器被构造成接纳待测试的电池；

参考容器；

13.根据权利要求12所述的装置，还包括与所述热柱热连通的隔热罩，所述隔热罩与所述样本容器、所述参考容器和所述热柱分离且基本上包封所述样本容器、所述参考容器和所述热柱。

14.根据权利要求13所述的装置，还包括基本上围绕所述隔热罩的绝热壳体。

15.根据权利要求12所述的装置，其中在所述第一侧和所述第二侧中的每一侧上的所述至少一个热通量传感器包括至少一个珀尔帖模块。

16.根据权利要求12所述的装置，其中所述扩散结合块包括多于三个金属层。

17.根据权利要求12所述的量热仪，还包括至少一个校准加热器，所述校准加热器设置在所述样本容器和所述参考容器中的每一者的一侧中。

18.根据权利要求12所述的量热仪，其中所述样本容器和所述参考容器中的每一者包括多个突片，所述量热仪还包括多个弹簧，每个弹簧在一端联接到所述样本容器的所述突片中的一个突片，在相对的一端联接到所述参考容器的所述突片中的一个突片。